2.7.2. Лабораторна робота №2 "Напівпровідниковий діод"

Мета роботи: вивчення принципу дії напівпровіднико­вого діода й одержання його вольт-амперної характеристи­ки.

Прилади та матеріали: германієвий діод, міліампер­метр, мікроамперметр, два вольтметри, джерело ЕРС, пере­микач, з'єднувальні провідники.

Контрольні питання для підготовки до лабораторної

роботи

1. Види провідності в напівпровідниках (електронна та діркова, власна і домішкова).

2. Напівпровідники

3. Контактні явища в напівпровідниках.

Додаткова література

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Выс­шая школа, 1992.

2. Ливенцев Н.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1974. - С. 279-283.

3. Ливенцев Н.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1978. - Ч. 1, с. 242-249.

Короткі теоретичні відомості

Тонкий шар напівпровідника, в якому має місце про­сторова зміна типу провідності від електронної до діркової, називається електронно-дірковим або р-п-переходом. Електропровідність p-n-переходу залежить від напрямку струму: в одному напрямку (прямому) вона велика, в іншому (зворотному) - мала.

Розглянемо р-n-перехід за відсутності зовнішнього по­ля. Вільні електрони дифундують із n-області в р-область, де їх концентрація набагато менша і там рекомбінують з дірками. В результаті цього в р-області залишаються негативно заряджені акцепторні атоми, в n-області - пози­тивно заряджені донорні атоми. Оскільки акцепторні та до-норні атоми нерухомі, на межі p-n-переходу виникає подвійний шар просторового електричного заряду (мал. 2.54), який називають запираючим ша­ром. Він створює контактне електричне полеяке протидіє подальшій дифузії основних носіїв.

Мал. 2.54.

Різниця потенціалів, якою характеризується контактне поле, має величину кілька десятків мілівольт, її називають контакт­ною різницею потенціалів або висотою потенціального бар'єра. В умовах теплової рівноваги і при відсутності зовнішнього електричного поля струм через р-n-перехід дорівнює нулю: існує динамічна рівновага між струмом неосновних і основних носіїв. Зовнішнє електричне поле змінює висоту бар'єра і порушує рівновагу потоків основних та неосновних носіїв. Якщо зовніш­нє електричне поле має напрямок, протилежний до контакт­ного то висота потенціального бар'єра зменшується (мал. 2.55).

Мал 2.55

Через контакт йтиме струм, величина якого залежить від величини зовнішнього поля Цей напрям називається прямим або пропускним.

Якщо напрямок зовнішнього електричного полязбі­гається з напрямком то модулі їхніх напруженостей додаються, що й приводить до збільшення контактної різ­ниці потенціалів. За цієї умови струм основних носіїв через контакт буде дорівнюватиме нулю. Такий напрямок поля і відповідний спосіб підключення називають зворотним.

На мал. 2.56 показана залежність сили струму від напруги. Кривій ОА відповідає прямий струм, а кривій ОB -незначний обернений струм, що обумовлений рухом неосновних носіїв електричного заряду.

Як видно з графіка, сила прямого струму залежить від напруги - вона збільшується із збільшенням напруги. Сила зво­ротного струму від напруги практично не залежить. Вона визначається кількістю неосновних носіїв, які виникають за одиницю часу.

Мал. 2.57.

А ця кількість незмінна при фіксованих зовнішніх умовах (температура, освітленість тощо). Умовне зображення напівпровідникового діода показано на мал. 2.57. Якість напівпровідникового діода оцінюється ко­ефіцієнтом випрямлення k, який дорівнює відношенню сили прямого струму до зворотного, виміряних при одна­ковій напрузі

При роботі з діодом необхідно враховувати значення найбільшої зворотної напруги, яка може бути прикладена до діода без порушення його нормальної роботи.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати електричне коло за схемою, показаною на мал. 2.58.

2. З'єднати за допомогою провідників зібране коло з джерелом живлення.

3. Поставити повзунок реостата в крайнє положення (як зображено на схемі).

4. Подати напругу на реостат (потенціометр) замкнуто­го кола за допомогою ключа К.

5. Переміщуючи повзунок вздовж реостата, спостеріга­ти за показниками вольтметра і міліамперметра. Записати 5-6 показників вольтметра і відповідних їм показників мілі­амперметра. Дані занести в таблицю 1.

6. Змінити полярність напруги, яка подається на діод (витягнути вилку з діодом із гнізда, повернути її на 180° і знову увімкнути).

7. Дії п. 5 повторити.

8. За знятими показниками вольтметра і міліамперметра побудувати вольт-амперну характеристику.

9. Обчислити коефіцієнт випрямлення для максималь­ного значення напруги, яка використовується в роботі.

Мал. 2.58.

Контрольні питання

1. Поясніть фізичні процеси, які відбуваються в р-n-переході за відсутності зовнішнього електричного поля.

2. Перерахуйте способи увімкнення діода в електричне коло. Нама­люйте схеми.

3. Які фізичні процеси лежать в основі роботи діода як випрям­ляча?

4. За якими характеристиками і параметрами оцінюється діод?

5. Які характеристики діода є нелінійними і чому?

6. У чому полягає подібність характеристик діодів та біологічних тканин?

7. Як впливає підвищення температури на концентрацію вільних носіїв?